Fatigue life assessment of road bridges with actual traffic loads

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2007/004
• Projekttitel Englisch: Fatigue life assessment of road bridges with actual traffic loads

Schlüsselwörter (Englisch)

Road Bridges, Assessment, Traffic simulation, Structural safety, Service life, Fatigue, Damage equivalence factor, Traffic models, Design codes

Schlüsselwörter (Französisch)

Ponts-routes, évaluation, simulation de trafic, sécurité structurale, durée de vie, fatigue, facteur de correction, modèles de trafic, normes de dimensionnement

Forschungsprogramme (Französisch)

Le plan de recherche comporte les étapes suivantes:

• Confirmation des hypothèses de calcul concernant: les lois statistiques décrivant le trafic, les véhicules, la circulation et les types de ponts à considérer.
• Développement de modules de données, de calcul et de résultats spécifiques pour la fatigue permettant la détermination:

        - de spectres et d'histogrammes des effort intérieurs à partir des simulations de trafic sur des ponts à deux voies, avec

          trafic uni- et bidirectionnel,

        - du cumul de dommage et des valeurs des facteurs de correction (facteur total, facteurs partiels, limite supérieure)

• Validation du nouveau logiciel par des comparaisons, pour des cas représentatifs, avec d'autres logiciels de calcul de l'évolution de l'endommagement, de durée de vie
• Simulations de diférentes conditions de trafic sur plusieurs types de ponts pour obtenir les valeurs des facteurs de correction (l'influence du volume de traficƒ1, de plusieurs voies de trafic ƒ4 et la limite supérieure ƒmax) et pour clarifier la détermination de la longueur déterminante en fatigue Lo.
• Du rapport final du projet (rapport VSS) et de propositions de révision des sections fatigue des normes SIA 261 à SIA 265.
• Vérification d'ouvrages existants choisis en collaboration avec l'OFROU.

Rappelons que ce projet s'inscrit dans le contexte plus général de la révision des sections fatigue des normes et que les questions d'évaluation d'ouvrages existants et de ponts-rails ne font pas partie du financement de cette recherche, mais d'autres études menées en parallèle.

le programme de travail est le suivant:

Première année:

• Confirmation des hypothèses décrivant le trafic, les véhicules, ainsi que la circulation et, si nécessaire, établissement d'hypothèses supplémentaires.
• Développement des modules d'entrée de données(charges), de calcul (histogrammes des efforts, cumul de dommage) et de résultats (évolution de l'endommagement, facteur de correction) spécifiques pour la fatigue.
• Développement des modules pour tnir compte de particularités telles que variations dans le flux du trafic et dans le pourcentage de poids lourds par voie.
• Validation au fur et à mesure des modules développés.
• Simulations pour les cas les plus simples (trafic unidirectionnel, ponts bipoutres à portée simple).
• Premières réflexions pour caractériser la longueur déterminante en fatigue Lo (par référence à la longueur de la ligne d'influence "équivalente" à celle d'une poutre simple).

Deuxième année:

• Validation du nouveau logiciel complet.
• Simulations pour tous les types de ponts et de trafic uni- et bidirectionnel.
• Méthode finale pour caractériser la longueur déterminante en fatigue Lo.
• Comparaison des valeurs des facteurs de correction ƒmax, ƒ1, et ƒ4 obtenues avec celles des différentes normes.
• Résolutions de cas particuliers, p.ex. vérification d'ouvrages existants choisis en collaboration avec l'OFROU.
• Rédaction du rapport final, y compris propositions de révision des sections fatigue des normes SIA 261 à SIA 265.

 

Kurzbeschreibung (Englisch)

The principle of this study is to compare, for a given number of bridge types, the fatigue damage sum (Miner sum) resulting from, on one hand, calculations according to the current codes (travelling of a standard truck) and, on the other hand, probabilistic simulations of the traffic and the resulting internal forces variations. On the basis of these comparisons, updated values of the partial damage equivalence factors l_i given in the current codes (SIA 262 to SIA 265) can be proposed. These new values are more realistic because they are not based on several simplified and conservative assumptions done during the drafting of the current codes.

These computations and comparisons will be done using a specific software. As a basis for the development of it, the traffic simulation software made during the research project AGB 2002/005 [OFROU, 2006] will be used and new specific modules will be written to perform fatigue computations. This software will then allow for the determination of the internal forces variations by virtual travelling of traffic models on the bridge ; different bridge types with two lanes (bidirectionnal trafffic) as well as different highway bridges types with two lanes of unidirectional traffic will be simulated. Monte Carlo simulations are made, the different types of bridges being modelled by the influence lines corresponding to the internal force considered, and the traffic, vehicules, as well as the traffic conditions being defined through statistical laws.

This project takes place within the general framework of the fatigue sections revision of the current structural engineering codes which deals with both road bridges and railway bridges (design code SIA 261 to SIA 267 revision planned), new as well as existing structures, since the use of the damage equivalence correction factor concept is also planned within the drafting of the codes for assessment of existing structures (SIA 269).

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le principe de cette étude est de comparer, pour un certain nombre de ponts types, l’endommagement en fatigue provenant d’une part d’un calcul selon les normes en vigueur (passage d’un camion normalisé) et d’autre part de simulations probabilistes du trafic et provoquant des variations d’efforts. Sur la base de ces comparaisons, les valeurs des facteurs partiels de correction l_i des normes en vigueur (SIA 262 à SIA 265) pourront être révisées. Ces nouvelles valeurs sont plus réalistes car elles s’affranchissent de nombre d’hypothèses simplificatrices et conservatrices faites lors de la rédaction des normes en vigeur.

Ces calculs et comparaisons seront effectuées grâce à un nouveau logiciel. Comme base de développement de celui-ci, un logiciel de simulation de trafic développé lors du projet de recherche AGB 2002/005 [OFROU, 2006] sera utilisé et de nouveaux modules spécifiques pour la fatigue y seront ajoutés. Ce logiciel permettra alors de déterminer les variations des efforts intérieurs en faisant passer virtuellement les différents trafics modélisés sur plusieurs types de ponts à deux voies (trafic bidirectionnel) et de ponts autoroutiers à deux voies également (trafic unidirectionnel). Les simulations sont de type Monte Carlo, les différents types de ponts étant modélisés par les lignes d’influence de chaque effort considéré, et le trafic, les véhicules, ainsi que les conditions de circulation sont définis selon des lois statistiques.

Ce projet s’inscrit dans le cadre plus général de la révision des sections fatigue des normes de structures, qui concerne tant les ponts-routes que les ponts-rails, les ouvrages neufs que les ouvrages existants, car une révision des normes SIA 261 à SIA 267 est planifiée et il est prévu d’étudier l’adaptation du concept du facteur de correction lors du développement de normes pour l’évaluation de structures existantes (SIA 269).

Projektbeschreibung (Französisch)

Dans les bureaux d’ingénieurs, la vérification à la fatigue d’un ouvrage d’art selon les normes SIA ou les Eurocodes nécessite l’utilisation d’un modèle de charge simplifié ainsi que la notion de dommage équivalent. Cette dernière est représentée par le facteur de correction l, lui-même exprimé comme le produit de quatre termes l₁, l₂, l₃, l₄, avec toutefois une limite supérieure dénotée l_max. Bien que ce concept ne soit pas nouveau en soi, cette vérification est devenue beaucoup plus exigeante avec l’introduction des modèles de charge de trafic européens. Certaines hypothèses simplificatrices faites lors du développement des Eurocodes et des nouvelles normes de structures SIA méritent d’être réévaluées, en particulier les valeurs de l_max, celles de l₄ (influence de plusieurs voies de trafic lentes, de croisements) ainsi que le calcul de la longueur déterminante (dénommée parfois par erreur longueur d’influence) en fatigue Lf.

Lors du dernier projet de recherche AGB 2002/005 [OFROU, 2006], un logiciel de simulation de trafic offrant une grande souplesse de configuration a été développé. Celui-ci permet de déterminer les valeurs des efforts intérieurs maximaux en faisant passer virtuellement les différents trafics modélisés sur plusieurs types de ponts à deux voies (trafic bidirectionnel) et de ponts autoroutiers à deux voies également (trafic unidirectionnel).

Sur cette base, un nouveau logiciel sera développé en ajoutant de nouveaux modules spécifiques pour la fatigue. Des simulations de différentes conditions de trafic sur plusieurs types de ponts seront effectuées avec ce nouveau logiciel, qui fournira pour chaque simulation une valeur du facteur de correction. Une étape indispensable pour pouvoir fusionner correctement les facteurs de corrections obtenus pour les différents cas de forme et longueur de lignes d’influences est de clarifier la notion de longueur déterminante en fatigue Lf. De cette manière, aura une méthode de vérification en fatigue cohérente.

Le nombre de véhicules à faire passer doit correspondre au trafic qui circule réellement sur le type de pont étudié pendant la période de temps considérée. Cette opération est renouvelée plusieurs fois de manière à obtenir une distribution statistique de la valeur du facteur de correction. Un certain fractile de cette distribution est admise comme valeur de calcul. Il est à noter qu’en fait on ne va pas déterminer la valeur de calcul du facteur « global » de correction l, mais plutôt les valeurs des facteurs partiels de correction suivants : l₁ (influence du volume de trafic) et l₄, ainsi que la valeur de la limite supérieure l_max. Ces résultats permettront une révision des sections fatigue des normes SIA 261 à SIA 265, avec une vérification améliorée car plus réaliste, donnant ainsi une meilleure connaissance du niveau réel de sécurité et également des ponts plus économiques.

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Néant, l’EPFL et le laboratoire dispose des moyens informatiques et logiciels nécessaires à ce travail.

Stand der eigenen Forschung (Französisch)

Le requérant, M. Alain Nussbaumer, possède une longue expérience aussi bien pratique que théorique dans l'étude des questions liées à la fatigue des ouvrages d’art. De nombreux travaux de recherche et d’expertise effectués à l'ICOM sont à porter au crédit de cette expérience (http://icom.epfl.ch/publications). Le requérant a par ailleurs rédigé la section fatigue de la norme SIA 263 actuellement en vigueur et il est le président de la commission de norme SIA 263.

De plus, le requérant peut compter sur les connaissances de M. J.-P. Lebet dans le domaine des charges sur les ouvrages d’art et du Prof. M. A. Hirt (à la retraite) ainsi que de M. Thierry Meystre dans le domaine de la simulation de trafic et du logiciel dévelopé lors du projet AGB 2002/005 [OFROU, 2006].

Projektziele (Englisch)

• Extend the possibilities of a traffic simulation software by developing fatigue specific modules for the determination of internal force spectrums and damage sum for two lanes bridges.
• Allow for the revision of fatigue sections in the SIA codes n° 261 to n° 265 (damage equivalence factor).
• Clarify the rules for the determination of the influence line fatigue characteristic length in order to have a coherent fatigue verification method.
• Allow for the possibility of fatigue assessment for particular cases of existing bridges.

Projektziele (Französisch)

• Etendre les possibilités d’un logiciel de simulation de trafic en développant des modules spécifiques pour la détermination de spectres et d’histogrammes des efforts intérieurs ainsi que de cumuls de dommage sur des ponts à deux voies.
• Permettre une révision des sections fatigue des normes SIA 261 à SIA 265 (facteur de correction).
• Clarifier les règles pour la détermination de la longueur déterminante en fatigue afin d’avoir une méthode de vérification cohérente.
• Permettre la possibilité de vérification d’ouvrages existants pour des cas particuliers.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Cette recherche est orientée vers la pratique et doit permettre d’améliorer le dimensionnement à la fatigue d’ouvrages d’art neufs grâce à un logiciel de simulation performant et polyvalent. A partir de ce logiciel, la vérification simplifiée de la résistance à l’aide du facteur de correction sera améliorée car plus réaliste, donnant ainsi une meilleure connaissance du niveau réel de sécurité et également des ponts plus économiques. Dans des cas particuliers, tel que l’évaluation d’ouvrages existants, le logiciel pourra également être utilisé pour le calcul de l’évolution des cumuls de dommage, comme aide à l’établissement de plans de maintenance.

Berichtsnummer (Deutsch)

655

Berichtsnummer (Englisch)

655

Berichtsnummer (Französisch)

655